Глава 12. Технология проведения сварки под флюсом и оборудование для нее.

Сущность сварки под флюсом.

Сваркой под флюсом называется дуговая сварка, при которой дуга горит под слоем сварочного флюса, обеспечивающего защиту сварочной ванны от контакта с воздухом.

Особенностью процесса дуговой сварки под флюсом является применение непокрытой сварочной проволоки и гранулированного (зернистого) флюса. Сварку ведут закрытой дугой, горящей под слоем флюса в пространстве газового пузыря, образующегося в результате выделения паров и газов в зоне дуги. Сверху сварочная зона ограничена пленкой расплавленного шлака, снизу – сварочной ванной. Среда в сварочной зоне является наиболее благоприятной с точки зрения защиты металла от взаимодействия с воздухом. По мере сварки давление газов и паров в пузыре возрастает. Наступает момент, когда пленка расплавленного шлака прорывается и избыток газов удаляется в окружающую атмосферу. Такой процесс удаления газов периодически повторяется.

Сварка под флюсом является одним из основных способов выполнения сварочных работ в промышленности и строительстве. Она существенно изменила технологию изготовления сварных изделий. По степени механизации процесса различают автоматическую и механизированную сварку под флюсом. Для получения качественных сварных швов взамен электродных покрытий применяют гранулированное вещество, называемое флюсом.

Автоматическая сварка под флюсом производится при помощи автоматической установки (сварочная головка или сварочный трактор). Эта установка подает электродную проволоку и флюс в зону сварки, перемещает дугу вдоль свариваемого шва и поддерживает ее горение.

Принципиальная схема автоматической сварки под флюсом выглядит следующим образом (рис. 82):

• электродная проволока подается в зону сварки;

• кромки свариваемого изделия в зоне сварки покрываются слоем флюса, подаваемого из бункера;

• толщина слоя флюса составляет 30–50 мм;

• сварочный ток подводится от источника тока к электроду через токоподводящий мундштук, находящийся на небольшом расстоянии от конца электродной проволоки, благодаря чему при автоматической сварке можно применять большие сварочные токи;

• дуга возбуждается между свариваемым изделием и электродной проволокой.

Рис. 82. Плавильное пространство при сварке под флюсом:

1 – основной металл; 2 – электродная проволока; 3 – передняя часть сварочной ванны; 4 – хвостовая часть сварочной ванны (жидкий металл); 5 – флюс; 6 – закристаллизировавшийся сварочный шов; 7 – границы кристалилизационных слоев; h – вылет электрода

При горении дуги образуется ванна расплавленного металла, закрытая сверху расплавленным шлаком и оставшимся нерасплавленным флюсом. Нерасплавившийся флюс отсасывается шлангом обратно в бункер. Пары и газы, образующиеся в зоне дуги, создают вокруг нее замкнутую газовую полость. Некоторое избыточное давление, возникающее при термическом расширении газов, оттесняет жидкий металл в сторону, противоположную направлению сварки.

У основания дуги (в кратере) сохраняется лишь тонкий слой металла. В таких условиях обеспечивается глубокий провар основного металла. Так как дуга горит в газовой полости, закрытой расплавленным шлаком, то значительно уменьшаются потери теплоты и металла на угар и разбрызгивание. По мере перемещения дуги вдоль разделки шва наплавленный металл остывает и образует сварной шов. Жидкий шлак, имея более низкую температуру плавления, чем металл, затвердевает несколько позже, замедляя охлаждение металла шва.

Продолжительное пребывание металла шва в расплавленном состоянии и медленное остывание способствуют выходу на поверхность всех неметаллических включений и газов, получению чистого, плотного и однородного по химическому составу металла шва.

Автоматическую сварку под флюсом отличают следующие преимущества:

1. Высокая производительность, превышающая ручную сварку в 5–10 раз. Она обеспечивается применением больших токов, более концентрированным и полным использованием теплоты в закрытой зоне дуги, снижением трудоемкости за счет автоматизации процесса сварки.

2. Высокое качество сварного шва вследствие защиты металла сварочной ванны расплавленным шлаком от кислорода и азота воздуха, легирования металла шва, увеличения плотности металла при медленном охлаждении под слоем застывшего шлака.

3. Экономия электродного металла при значительном снижении потерь на угар, разбрызгивание металла и огарки. При ручной сварке эти потери достигают 20–30 %, в то время как при автоматической сварке под флюсом они не превышают 2–5 %.

4. Экономия электроэнергии за счет более полного использования теплоты дуги по сравнению с ручной сваркой. Затраты электроэнергии при автоматической сварке уменьшаются на 30–40 %. Кроме того, при автоматической сварке условия труда значительно лучше, чем при ручной сварке: дуга закрыта слоем шлака и флюса, выделение вредных газов и пыли значительно снижено, поэтому нет необходимости в защите зрения и лица сварщика от воздействия излучений дуги, а для вытяжки газов достаточно естественной вытяжной вентиляции.

Но автоматическая сварка имеет и свои недостатки. Это, прежде всего, ограниченная маневренность сварочных автоматов и производство сварки главным образом в нижнем положении.

Сварочные флюсы.

Сварочным флюсом называют неметаллический материал, расплав которого необходим для сварки и улучшения качества шва.

Взаимодействуя в процессе сварки с жидким металлом, расплавленный флюс в значительной степени определяет химический состав металла, а следовательно, и его механические свойства. По способу изготовления флюсы делятся на плавленые и неплавленые.

Плавленые флюсы являются основными при автоматической сварке металла. Флюсы типов АН–348–А, АН–348–АМ, АН–348–В, АН–348–ВМ, ОСЦ–45, ОСЦ–45М, АН–60 и ФЦ–9 предназначены для механической сварки и наплавки углеродистых и низколегированных сталей углеродистой и низколегированной сварочной проволокой.

• Флюс марки АН–8 применяют при электрошлаковой сварке углеродистых и низколегированных сталей и сварке низколегированных сталей углеродистой и низколегированной сварочной проволокой.

• Флюсы марок АН–15М, АН–18, АН–2 °C, АН–2 °СМ и АН–20П служат для дуговой автоматической сварки и наплавки высоколегированных и среднелегированных сталей.

• Флюс марки АН–22 предназначен для электрошлаковой сварки и дуговой автоматической наплавки и сварки низко– и среднелегированных сталей.

• Флюсы АН–26С, АН–26СП и АН–26П применяют при автоматической и полуавтоматической сварке нержавеющих, коррозионно-стойких и жаропрочных сталей.

• Флюсы марок АН – 17М, АН–43 и АН–47 предназначены для дуговой сварки и наплавки углеродистых, низко– и среднелегированных сталей повышенной и высокой прочности.

Нормальные флюсы содержат зерна размером 0,35–3 мм. Флюсы мелкой грануляции состоят из зерен размером 0,25–1,0 мм и в обозначении марки имеют конечную букву М.

Плавленые флюсы получают сплавлением его составляющих компонентов:

1. Изготовление флюса включает следующие процессы: размалывание до необходимых размеров сырьевых материалов (марганцевая руда, кварцевой песок, мел, плавиковый шпат, глинозем и др.

2. Перемешивание их в определенных массовых соотношениях; плавка в газопламенных или электродуговых печах.

3. Грануляция с целью получения флюса определенных размеров зерен.

Грануляцию производят выпуском расплава флюса в воду, где он остывает и растрескивается на мелкие частицы. Затем флюс сушат в барабанах или сушильных шкафах и просеивают через сито на фракции. В состав этих флюсов в качестве основных компонентов входят марганец в виде оксида марганца и кремний в виде кремнезема.

Марганец, обладая большим сродством к кислороду, восстанавливает содержащиеся в наплавляемом металле оксиды железа. Кроме того, образуя сульфид MnS, марганец способствует удалению серы в шлак. При сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей высокомарганцовистые флюсы легируют металл шва.

Кремний способствует снижению пористости металла шва, так как подавляет процесс образования оксида углерода, который является одной из основных причин образования пор в наплавленном металле. Кремний также является хорошим раскислителем, но как легирующий элемент при сварке под флюсом имеет ограниченное применение.

Неплавленые флюсы представляют собой механическую смесь составляющих его материалов (кремнезем, марганцевая руда, плавиковый шпат, ферросплавы и др.). Их дробят, измельчают, дозируют и полученную смесь тщательно усредняют. Затем замешивают в строго определенных соотношениях с водным раствором жидкого стекла и, пропустив через гранулятор, получают шарообразные гранулы. Сырые гранулы поступают на сушку и прокалку.

Отсутствие плавки позволяет вводить в состав флюсов различные ферросплавы, металлические порошки, оксиды элементов и другие материалы. Эти вещества, участвуя в металлургических процессах сварки, значительно облегчают широкое легирование и раскисление наплавленного металла, улучшают структуру и снижают вредные примеси в металле шва. При этом используется более простая сварочная проволока из обычной низкоуглеродистой стали. Недостатком неплавленых флюсов является их большая гигроскопичность, требующая герметичности упаковки и более точного соблюдения режима сварки, так как он оказывает влияние на процесс легирования наплавленного металла.

Используются флюсы марок АНК–35 (для сварки низкоуглеродистых сталей низкоуглеродистой проволокой Св–08 и Св–08А), АНК–46 (для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей), АНК–47 и АНК–30 (для сварки швов высокой хладостойкости), АНК–45 (для сварки высоколегированных сталей), АНК–40, АНК–18, АНК–19 (для наплавочных работ низкоуглеродистой сварочной проволокой Св–08 и Св–08А).

При применении наплавочных проволок эти флюсы дают слои наплавленного металла более высокой твердости. Флюс марки АНК–3, применяемый как добавка к флюсам марок АН–348А, ОСЦ–45, АН–60, повышает стойкость швов против образования пор.

Важным преимуществом неплавленых керамических флюсов является их относительно малая чувствительность к ржавчине, окалине и влаге на поверхности свариваемых кромок деталей по сравнению с плавлеными флюсами. Это особенно важно при строительно-монтажных работах.

Плавленые флюсы при сварке дают относительно небольшое количество легирующих примесей (только за счет восстановления из оксидов кремния и марганца). При этом появляются оксиды, способствующие образованию неметаллических включений, ухудшающих механические свойства металла. Поэтому для соответствующего легирования металла шва приходится применять дорогую легированную проволоку. Однако высокие технологические свойства плавленых флюсов (хорошая защита зоны сварки, хорошее формирование валиков, отделимость шлака и др.) и меньшая стоимость обеспечивают широкое применение их в сварочном производстве. При необходимости получения сварных швов высокого качества по ударной вязкости при низкой температуре, швов, стойких против образования пор и трещин, и некоторых других специальных швов керамические флюсы незаменимы.

К неплавленым флюсам также относятся магнитные флюсы. По технологии изготовления и применению они аналогичны керамическим флюсам. Кроме веществ, входящих в состав керамических флюсов, магнитный флюс содержит железный порошок, который не только придает ему магнитные свойства, но и способствует повышению производительности сварки.

Флюс подается через сопло дозирующим устройством автомата (или полуавтомата). Под действием магнитного поля сварочного тока флюс притягивается к зоне сварки. При этом обеспечиваются минимальный расход флюса и возможность качественной сварки вертикальных швов.

Оборудование для автоматической сварки.

В процессе сварки применяются два вида автоматического оборудования: подвесные (неподвижные и самоходные) головки и сварочные тракторы (таб. 23). Они производят следующие операции: возбуждение дуги, непрерывную подачу в зону дуги электродной проволоки флюса в процессе сварки, перемещение сварочной дуги вдоль свариваемого шва, гашение дуги в конце сварки.

Важным условием, обеспечивающим нормальный устойчивый процесс автоматической сварки, является равенство скорости подачи электродной проволоки и скорости ее плавления. Это условие в процессе сварки может нарушаться различными факторами: изменениями напряжения в сети, нечеткой работой подающего механизма, неровностями поверхностей свариваемых кромок, при которых изменяется дуговой промежуток, и др. Чтобы процесс сварки протекал устойчиво, а длина дуги сохранялась постоянной, применяют автоматы, сконструированные по двум основным принципам: автоматы с переменной скоростью подачи электронной проволоки, зависящей от изменения дугового промежутка, и автоматы с постоянной скоростью подачи электронной проволоки. Автоматы с переменной скоростью подачи электродной проволоки имеют относительно сложную электрическую схему и поэтому получили ограниченное применение (при низких напряжениях и малых сварочных токах). Более широкое применение получили автоматы с постоянной скоростью подачи электродной проволоки.

Электродвигатель, обеспечивающий через редуктор и подающие ролики подачу электродной проволоки, питается непосредственно от сети. Поэтому скорость вращения электродвигателя будет постоянна, независимо от длины (следовательно, и напряжения) дуги. Саморегулирование осуществляется так.

Если в процессе сварки длина дуги уменьшится (например, из-за неровностей на поверхности свариваемых кромок), то напряжение на дуге понизится. Так как внешняя характеристика источника питания дуги падающая, то уменьшение напряжения приведет к возрастанию сварочного тока и тем самым к увеличению скорости плавления электродной проволоки (скорость плавления проволоки почти пропорциональна сварочному току). Повышение скорости плавления проволоки при постоянной скорости ее подачи приведет к удлинению дуги, то есть к восстановлению установленного режима сварки. Если же длина дуги увеличится, то напряжение возрастет, и в соответствии с внешней характеристикой источника тока сварочный ток понизится. Следовательно, скорость плавления электродной проволоки уменьшится, что при постоянной скорости ее подачи приведет к сокращению дугового промежутка.

Таблица 23

Технические характеристики сварочных тракторов

Процесс саморегулирования осуществляется нормально при питании дуги постоянным током. При переменном токе для устойчивой работы автомата колебания напряжения в сети не должны превышать 6–8 %.

Автоматические головки АБС состоят из трех узлов (рис. 83). Первый узел – сварочная головка – включает электродвигатель, механизм подачи проволоки с правильным механизмом, токоподводящий мундштук, корректировочный механизм для направления головки по шву и трехкнопочный пульт управления. Набор сменных шестерен механизма подачи позволяет изменять скорость подачи электродной проволоки в пределах от 28,5 до 225 м/ч.

Рис. 83. Сварочный аппарат типа АБС:

I узел: 1 – мундштук; 2 – правильное устройство; 3 – подающий механизм; 4 – пульт управления; II узел: 5 – катушка; 6 – флюсоаппарат; III узел – самоходная тележка

Второй узел – подвесной механизм – состоит из подъемного механизма для подвески и вертикального подъема сварочной головки, флюсоаппарата для подачи флюса в зону дуги и отсасывания неиспользованного флюса обратно в бункер и кассеты с электродной проволокой.

Третий узел представляет собой самоходную тележку, состоящую из электродвигателя, от которого движение через фрикционное устройство, червячные передачи и одну сменную пару шестерен передается ведущим бегунам тележки. Сменные шестерни позволяют изменять скорость перемещения тележки, то есть скорость сварки, в пределах 13,5–112 м/ч.

Головка АБС предназначена для сварки стыковых, угловых и нахлесточных швов. При этом узлы, входящие в головку АБС, позволяют использовать ее как подвесную неподвижную и как самоходную.

Сварочный трактор является более эффективным и маневренным сварочным аппаратом. Он представляет собой автоматическую головку, установленную на самоходной тележке, которая перемещается с помощью электродвигателя по свариваемому изделию или по направляющему рельсовому пути вдоль свариваемого шва. Трактор ТС–17М (рис. 84) применяется при изготовлении и монтаже различных строительных конструкций (ферм, мачт, балок), при сварке под флюсом наружных и внутренних кольцевых швов, при сварке труб и резервуаров диаметром более 800 мм (тракторы других марок незначительно отличаются от ТС–17М – рис. 85). Им можно производить сварку всех видов швов в нижнем положении.

Рис. 84. Сварочный трактор ТС–17М:

1 – направляющие колеса; 2 – электродвигатель для подачи электродной проволоки и передвижения трактора; 3 – ведущие колеса; 4 – пульт с кнопками управления; 5 – кассета с электродной проволокой; 6 – электроизмерительные приборы; 7 – электродная проволока; 8 – бункер для флюса; 9 – механизм подачи проволоки; 10 – мундштук

Рис. 85. Сварочный трактор АДС–100–2:

1 – самоходная каретка; 2 – электродвигатель; 3 – пульт управления с кассетой для проволоки; 4 – электродная проволока; 5 – электродвигатель механизма подачи проволоки; 6 – бункер для флюса; 7 – механизм подачи проволоки

Трактор имеет один электродвигатель трехфазного тока, который приводит в движение механизм подачи электродной проволки и механизм передвижения трактора вдоль свариваемого шва. Подающий механизм состоит из понижающего редуктора и двух роликов (ведущего и прижимного), между которыми протаскивается электродная проволока. Механизм передвижения трактора состоит из редуктора и двух ведущих бегунов, вал которых соединен с редуктором фрикционной муфтой. Наличие сменных шестерен позволяет в широких пределах изменять скорость подачи электродной проволоки и скорость передвижения трактора в соответствии с режимом сварки. В комплекте трактора имеется два токопроводящих мундштука. Для электродной проволоки диаметром 1,6–2,0 мм применяют трубчатый мундштук с бронзовым наконечником, смещенным к оси трубки, который обеспечивает хороший электрический контакт с электродной проволокой. Для электродной проволоки большего диаметра применяют мундштук с двумя бронзовыми контактами, между которыми перемещается проволока. Правка электродной проволоки осуществляется специальным правильным механизмом.

Трактор снабжен двумя бункерами для флюса: один бункер применяют при сварке вертикальным электродом, а второй – при сварке наклонным электродом. Толщина насыпаемого слоя флюса устанавливается вертикальным перемещением патрубка, по которому подается флюс в разделку кромок. Если сваривают стыковой шов без разделки кромок, то трактор направляется вручную.

Если сваривают шов с разделкой кромок, то на одну из штанг подвески устанавливают копир, состоящий из двух последовательно расположенных роликов, которые при сварке катятся по разделке кромок и тем самым направляют трактор вдоль свариваемого шва.

При сварке угловых швов «в лодочку» копировальным элементом служит ролик, закрепленный на специальной штанге и катящийся по углу свариваемого шва.

Трактор имеет трехкнопочный пульт управления. Кроме того, есть дополнительный пульт управления, используемый при сварке кольцевых швов на цилиндрических изделиях (котлы, цистерны, резервуары), для управления электродвигателем стенда. На стенде вращается свариваемое изделие (рис. 86).

Рис. 86. Стенд сварки швов (а) и флюсоременная подушка (б)

Рассмотрим и шланговый полуавтомат (рис. 87).

Рис. 87. Схема поста полуавтоматической сварки под флюсом:

1 – кассета подающего механизма; 2 – гибкий шланг для подачи электродной проволоки и электрического тока; 3 – ролики подающего механизма; 4 – держатель; 5 – подающий механизм; 6 – аппаратный ящик с электрооборудованием полуавтомата; 7 – сварочный трансформатор

Он сочетает универсальность и маневренность ручной сварки с преимуществами автоматической сварки под флюсом. Полуавтоматическая установка производит только подачу электродной проволоки в зону дуги, а перемещение дуги вдоль свариваемого шва осуществляет сварщик с помощью специального электрододержателя. Сварка производится при повышенных плотностях тока до 200 А/мм2, что позволяет применять электродную проволоку диаметром 1,2–2,5 мм. Высокие плотности тока повышают температурный режим сварки, коэффициент плавления и глубину провара шва. Вследствие этого допускается некоторое уменьшение разделки кромок, уменьшается необходимый расход электродной проволоки на единицу длины разделки кромок. При этом не только повышается производительность процесса сварки, но и значительно сокращается расход электроэнергии.

В сварочном производстве получили большое распространение шланговые полуавтоматы типов ПШ–5, ПШ–54.

Шланговый полуавтомат типа ПШ–54 состоит из источника тока, шкафа управления, кассеты с электродной проволокой, механизма подачи проволоки, гибкого шланга, который заканчивается держателем. Бухта электродной проволоки заправляется в кассету после тщательной очистки от грязи, масла и ржавчины. Подача электродной проволоки осуществляется с помощью электродвигателя трехфазного тока мощностью 100 Вт, который через редуктор вращает ведущий ролик механизма подачи. Между ведущим и поджимным роликами протаскивается электродная проволока. Переключением шестерен коробки скоростей можно изменять скорость подачи электродной проволоки в пределах 78–600 м/ч. Шланговый провод длиной 3,5 м и диаметром 27 мм служит для подачи электродной проволоки по центральному каналу в зону дуги. В шланг вмонтированы провод для подвода сварочного тока и провода управления пуском и выключением электродвигателя механизма подачи, включением и выключением сварочного тока. Держатель представляет собой трубчатый мундштук с ручкой и специальной воронкой для флюса. Воронка вмещает 1,5 кг флюса и снабжена пластинчатой заслонкой. Шкаф управления содержит контрольные приборы (амперметр и вольтметр) и устройства для включения и выключения системы управления.

Включение электродвигателя для подачи электродной проволоки и тока сварочной цепи у полуавтомата типа ПШ–54 производится замыканием сварочной проволоки на изделие, а прекращение процесса сварки достигается удалением держателя от поверхности свариваемого изделия, т. е. обрывом сварочной дуги. В полуавтоматах типа ПШ–5 включение и выключение электродвигателя механизма подачи электродной проволоки и тока сварочной цепи производят пусковой кнопкой на рукоятке.

Шланговый полуавтомат типа ПДШ–500 имеет по сравнению с полуавтоматами ПШ–5 две существенные особенности. Полуавтомат работает по принципу зависимости скорости подачи электродной проволоки от напряжения дуги, и поэтому электрическая схема саморегулирования режима сварки сходна со схемой автоматической головки АДС–1000.

Второй особенностью является принудительная подача флюса сжатым воздухом по шлангу через держатель в зону сварки. Подающий механизм, смонтированный на подвижной тележке, работает от электродвигателя постоянного тока через понижающий редуктор. Ведущий и нажимной ролики подают электродную проволоку из кассеты по шлангу в зону сварки.

Скорость подачи электродной проволоки устанавливают реостатом, включенным в цепь обмотки электродвигателя. На тележке укреплен бункер с устройством для пневматической подачи флюса в зону сварки. Воздух используется от заводской воздушной сети или от компрессора. На специальной панели тележки установлены измерительные приборы и устройства управления.

Полуавтомат типа А–1197 служит для сварки под флюсом и в среде углекислого газа как сплошной, так и порошковой проволокой. Полуавтомат имеет модификации: А–1197С – подающий механизм с асинхронным электродвигателем, а регулирование скорости подачи осуществляется сменными зубчатыми шестернями; А–1197П – подающий механизм с электродвигателем постоянного тока, обеспечивающий плавное регулирование скорости подачи электродной проволоки. Номинальный сварочный ток – 500 А. Диаметр электродной проволоки 1,6–3,5 мм. Скорость подачи электродной проволоки 90–900 м/ч. Шланговые автоматы отличаются от полуавтоматов тем, что вместо держателя для ручного перемещения сварочной дуги применяется самоходная сварочная головка легкого типа с электродвигателем и устройством для перемещения ее по свариваемому изделию вдоль шва.

Таблица 24

Техническая характеристика шланговых полуавтоматов

Шланговый автомат типа АДШ–500 имеет два типа самоходных головок: ГСА–1–2 и ГСА–2–2. Головка типа ГСА–1–2 предназначена для приварки к горизонтальной плоскости различных полос, ребер или других профильных элементов высотой 50–160 мм. Головку типа ГСА–2–2 применяют для тех же работ, но при высоте привариваемых элементов более 160 мм. Она прижимается к свариваемому изделию электромагнитами, полюсами которых служат катки тележки. Сварочный ток устанавливается в пределах 150–600 А. Для включения и выключения сварочного тока автомат оборудован дистанционным кнопочным устройством.

Автомат позволяет производить сварку со скоростью 10–65 м/ч. Флюс подается в зону сварки пневматически. Контрольные приборы – амперметр и вольтметр, а также маховичок потенциометра для плавного регулирования скорости сварки – смонтированы на корпусе механизма подачи электродной проволоки. Вес самоходной головки составляет 10–12 кг.

Разработан способ шланговой многоэлектродной сварки. Он предусматривает подачу в зону дуги с одинаковой скоростью одновременно трех электродных проволок диаметром 1,6–2,0 мм. Это позволяет применять сварочные токи до 800–1000 А и тем самым значительно повышать производительность сварки. Важным преимуществом этого способа является также возможность легирования металла свариваемого шва. Для этой цели применяется легированная сварочная проволока.

Установки и приспособления, служащие для механизации вспомогательных работ, могут быть разбиты на две основные группы: универсальные и специализированные.

Универсальные установки и приспособления применяют при разнообразных сварочных работах. К ним относятся устройства и приспособления общего назначения: стенды и кантователи различной конструкции, струбцины, винтовые стяжки, правильные скобы, хомуты, домкраты и др. Специализированные установки и приспособления разрабатывают и применяют при серийном и массовом производствах. Они представляют собой стенды и установки с неподвижными и подвижными фиксаторами, имеющими зажимные устройства с механическим, пневматическим, гидравлическим или электрическим приводами. Такие устройства позволяют быстро и с достаточной точностью фиксировать взаимное расположение элементов свариваемой конструкции, значительно сокращая объем работ по разметке и проверке сборки свариваемого изделия.

Технология сварки под флюсом.

При сварке под флюсом подготовку кромок и сборку изделия производят более точно, нежели при ручной сварке. Настроенный под определенный режим автомат точно выполняет установленный процесс сварки и не может учесть и выправить отклонения в разделке кромок и в сборке изделия. Разделку кромок производят машинной кислородной или плазменно-дуговой резкой, а также на металлорежущих станках. Свариваемые кромки перед сборкой должны быть тщательно очищены от ржавчины, грязи, масла, влаги и шлаков. Это особенно важно при больших скоростях сварки, когда загрязнения, попадая в зону дуги, приводят к образованию пор, раковин и неметаллических включений.

Очистку кромок производят пескоструйной обработкой или протравливанием и пассивированием. Очистке подвергается поверхность кромок шириной 50–60 мм по обе стороны от шва. Перед сваркой детали закрепляют на стендах или иных устройствах с помощью различных приспособлений или прихватывают ручной сваркой электродами с качественным покрытием. Прихватки длиной 50–70 мм располагают на расстоянии не более 400 мм друг от друга, а крайние прихватки – на расстоянии не менее 200 мм от края шва. Прихватки должны быть тщательно очищены от шлака и брызг металла. При сварке продольных швов для ввода электрода в шов и вывода его из шва за пределы изделия по окончании сварки к кромкам приваривают вводные и выводные планки. Форма разделки планок должна соответствовать разделке кромок основного шва.

Сварочный ток, напряжение дуги, диаметр, угол наклона и скорость подачи электродной проволоки, скорость сварки и основные размеры разделки кромок выбирают в зависимости от толщины свариваемых кромок, формы разделки и свариваемого металла.

Стыковые швы выполняют с разделкой и без разделки кромок. При этом шов может быть одно– и двусторонним, а также одно– и многослойным (рис. 88).

Рис. 88. Схемы устройств для удержания сварочной ванны и шлака при сварке под флюсом:

а – остающаяся подкладка; б – временная подкладка; в – гибкая лента; г – ручная подварка; д – медно-флюсовая подкладка; е – флюсовая подушка; ж – заделка зазора огнестойким материалом; з – асбестовая подкладка; а, б, в, д, е – односторонний шов; г, ж, з – двусторонний шов

Стыковая сварка односторонняя применяется при малоответственных сварных швах или в случаях, когда конструкция изделия не позволяет производить двустороннюю сварку шва. Значительный объем расплавленного металла, большая глубина проплавления и некоторый перегрев ванны могут привести к вытеканию металла в зазоры и нарушению процесса формирования шва. Чтобы избежать этого, следует закрыть обратную сторону шва стальной или медной подкладкой, флюсовой подушкой или проварить шов с обратной стороны.

На практике применяют четыре основных приема выполнения односторонней сварки стыковых швов, обеспечивающих получение качественного сварного шва.

Сварка на флюсовой подушке заключается в том, что под свариваемые кромки изделия подводят слой флюса толщиной 30–70 мм. Флюсовая подушка прижимается к свариваемым кромкам под действием собственной массы изделия или с помощью резинового шланга, наполненного воздухом. Давление воздуха в зависимости от толщины свариваемых кромок изделия для тонких кромок составляет 0,05–0,06 МПа и 0,2–0,25 МПа – для толстых кромок. Флюсовая подушка не допускает подтекания расплавленного металла и способствует хорошему формированию металла шва.

Для большего теплоотвода в целях предупреждения пережога металла кромок применяется сварка на медной подкладке. Вместе с тем подкладка, установленная с нижней стороны шва, предупреждает протекание жидкого металла сварочной ванны. Подкладка прижимается к шву с помощью механических или пневматических приспособлений. После сварки подкладка легко отделяется от стальных листов. При зазоре между свариваемыми кромками более 1–2 мм медную подкладку делают с желобком, куда насыпают флюс. В этом случае на обратной стороне шва образуется сварной валик. Ширина медной подкладки составляет 40–60 мм, а толщину подкладки (5–30 мм) выбирают в зависимости от толщины свариваемых кромок. Разработан метод сварки, при котором по обратной стороне шва перемещается медный башмак, охлаждаемый водой. При этом свариваемые листы собираются с зазором в 2–3 мм и через каждые 1,2–1,5 м скрепляются сборочными планками путем прихватки короткими сварными швами.

Таблица 25

Выполнение сварных соединений (размеры в мм)

В тех случаях, когда конструкция изделия допускает приварку подкладки, с обратной стороны шва производится сварка на стальной подкладке. Стальную подкладку плотно подгоняют к плоскости свариваемых кромок и прикрепляют короткими швами ручной дуговой сваркой. Затем автоматической сваркой выполняют основной шов, проваривая одновременно основной металл и металл подкладки. Размеры подкладки зависят от толщины свариваемых кромок. Обычно подкладку изготовляют из стальной полосы шириной 20–60 мм и толщиной 4–6 мм.

Сварка после предварительного наложения подваренного шва вручную применяется для упрощения процесса сборки изделия.

Стыковая сварка двусторонняя дает более высококачественный шов, обеспечивая хороший провар шва даже при некотором смещении свариваемых кромок. При изготовлении строительно-монтажных конструкций двусторонний способ является основным.

Стыковое соединение сваривают автоматом сначала с одной стороны так, чтобы глубина проплавления составляла 60–70 % толщины металла шва. Зазор между кромками должен быть минимальным, не более 1 мм. Сварку выполняют на весу, без подкладок и уплотнений с обратной стороны стыка.

При невозможности выдержать зазор между кромками менее 1 мм принимают меры по предупреждению подтекания жидкого металла, так же как это делают при односторонней сварке, т. е. производят сварку на флюсовой подушке, медной подкладке, на стальной подкладке или применяют прихватку ручной дуговой сваркой. Тавровые и нахлесточные соединения сваривают вертикальным электродом при положении шва «в лодочку» или наклонным электродом, если один из листов занимает горизонтальное положение (рис. 89).

Рис. 89. Схема полуавтоматической сварки под флюсом:

а – стыковых швов; б – в положении «в лодочку»; в – тавровых швов; г – нахлесточных швов

В зависимости от толщины свариваемых кромок и назначения соединения сварка может быть выполнена без разделки кромок, с одно– или двусторонней разделкой кромок. При зазоре между кромками менее 1 мм сварку «в лодочку» выполняют на весу. При больших зазорах сварку производят на флюсовой подушке или на подкладках. Допускается заделка зазора асбестовым уплотнением или подварка шва с обратной стороны.

Сварка «в лодочку» обеспечивает равномерное проплавление свариваемых кромок и получение качественного шва большого сечения за один проход. В большинстве случаев для выполнения сварного соединения изделие устанавливают на кантователь. Сварку тавровых и нахлесточных соединений при горизонтальной или вертикальной полке производят наклонным электродом с углом наклона к горизонтальной полке 20–30°.

В качестве недостатка такого способа сварки можно назвать невозможность получить шов с катетом более 16 мм, что иногда приводит к необходимости многослойной сварки. При полуавтоматической сварке перемещение дуги вдоль свариваемого шва производится сварщиком либо на себя, либо справа налево. Держатель опирают на кромки свариваемого изделия и тем самым поддерживают постоянство вылета электродной проволоки в пределах 15–25 мм. Благодаря повышенной плотности тока и более сосредоточенному вводу теплоты глубина провара при шланговой сварке возрастает на 30–40 % Устойчивость горения дуги также значительно повышается, что позволяет производить сварку металла малых толщин (0,8–1,0 мм) и сварку швов с катетом до 2 мм при сварочных токах 80–100 А.

Таблица 26

Типичные режимы сварки под флюсом угловых швов металлоконструкций «в лодочку»

Таблица 27

Типичные режимы автоматической сварки под флюсом стыковых швов металлоконструкций на флюсовой подушке

При стыковых швах с зазором более 1,0–1,5 мм сварку производят на флюсовой подушке или на подкладках. При этом держателю придают поперечные колебательные движения. Тавровые и нахлесточные соединения рекомендуется выполнять электродной проволокой диаметром 1,6–2,0 мм на постоянном токе обратной полярности. Зазор между свариваемыми кромками не должен превышать 0,8–1,0 мм. Качественный шов за один проход шланговой сваркой можно получить при катете шва не более 8 мм. При катетах более 8 мм производят многослойную сварку шва.

Электрошлаковая сварка.

Электрошлаковой сваркой называется сварка плавлением, при которой для нагрева металла используется теплота, выделяющаяся при прохождении электрического тока через расплавленный электропроводный шлак. Это самый высокопроизводительный способ автоматической сварки металла значительной толщины (рис. 90).

Рис. 90. Электрошлаковая сварка:

1 – начальная скоба для возбуждения процесса сварки; 2 – металлическая ванна (сварочная); 3 – токопроводящий мундштук; 4 – подающие ролики; 5 – электродная проволока; 6 – шлаковая ванна; 7 – медные формующие ползуны; 8 – сварной шов; 9 – сборочная скоба; 10 – свариваемые детали

Производится электрошлаковая сварка так:

• в пространство между свариваемыми кромками изделия и шлакоудерживающими приспособлениями (медными ползунами, начальными планками) вводятся флюс и электродная проволока;

• процесс сварки начинается с возбуждения дуги между электродной проволокой и начальной планкой. Теплотой дуги расплавляются флюс и электродная проволока;

• образуется ванна расплавленного металла, покрытая слоем жидкого шлака. Электродная проволока, находясь в ванне нагретого шлака, плавится, и дуга гаснет;

• сварочный ток, проходя через расплавленный шлак, нагревает его до температуры 1600–1700 °C;

• дальнейший бездуговой процесс плавки происходит за счет теплоты, выделяемой в шлаке сварочным током. По мере заполнения шва металлом медные ползуны, охлаждаемые проточной водой, перемещаются снизу вверх и формируют сварной шов.

Применяя электрошлаковую сварку несколькими электродными проволоками или электродами в виде ленты, можно сваривать кромки изделия практически любой толщины.

Важным преимуществом электрошлаковой сварки является возможность сварки швов сложной конфигурации, при этом электродная проволока подается через специальный плавящийся мундштук, форма которого соответствует форме свариваемого шва. Мундштук плавится вместе с электродной проволокой, заполняя свариваемый шов металлом.

При электрошлаковой сварке качество металла шва значительно выше, чем при автоматической сварке под флюсом. Это объясняется постоянным наличием над металлом шва жидкой фазы металла и нагретого шлака, что способствует более полному удалению газов и неметаллических включений. Резко снижается влияние на качество шва влажности флюса, ржавчины и различных загрязнений свариваемых кромок изделия. Трудоемкость операций по подготовке изделия под сварку снижается за счет исключения работ по разделке и подготовке кромок к сварке. Кромки обрезают кислородной резкой под прямым углом к поверхности свариваемых листов.

Так как процесс протекает в замкнутой системе при небольшом количестве флюса и полном использовании электродного металла, удельный расход электроэнергии, флюса и электродной проволоки сокращается.

Увеличенный вылет электродной проволоки и значительные плотности тока обеспечивают высокую производительность наплавки, достигающую 27 кг/ч. В то же время при автоматической сварке под флюсом он составляет примерно 12 кг/ч, а при ручной только 2 кг/ч. Расход электроэнергии на 1 кг наплавленного металла уменьшается вдвое, а расход флюса – в 20–30 раз по сравнению с автоматической сваркой под флюсом.

Производительность электрошлаковой сварки превышает производительность автоматической сварки под флюсом в 7–10 раз, а при большой толщине свариваемых кромок она в 15–20 раз выше производительности многослойной автоматической сварки.

Постепенный подогрев свариваемых кромок и замедленный нагрев околошовной зоны уменьшают возможность образования в ней закалочных структур. Поэтому при электрошлаковой сварке самозакаливающихся сталей образование закалочных трещин менее вероятно. Освоение электрошлаковой сварки позволило заменить громоздкие и тяжелые цельнолитые и цельнокованые станины и корпуса более легкими и компактными сварно-литыми и сварно-коваными деталями.

Для производства электрошлаковой сварки разработаны три типа аппаратов:

1. Рельсовые аппараты, перемещающиеся по вертикальным рельсам или специальным направляющим вдоль свариваемого шва (аппараты типов А–820М, А–535 и А–681).

2. Безрельсовые аппараты, движущиеся по свариваемому изделию и связанные с ним механическим креплением (аппараты типов А–304 и А–612).

3. Шагающие магнитные аппараты, перемещающиеся по свариваемому изделию с помощью системы шагающих электромагнитов (аппарат типа А–501М).

Источниками питания многоэлектродных аппаратов для электрошлаковой сварки являются трехфазные сварочные трансформаторы ТШС–1000–3 и ТШС–3000–3. Они обеспечивают в каждой фазе сварочный ток соответственно в 1000 и 3000 А. Первичная и вторичная обмотки трансформаторов состоят из секций с отводами, что позволяет изменять вторичное напряжение в пределах 38–54 В.

Трансформаторы работают с принудительным охлаждением (ТШС–1000–3 – воздушное; ТШС–3000–3 – водяное). Можно применять также трансформаторы типов ТСД–500, ТСД–2000, СТН–750 и др.

Для электрошлаковой сварки применяют флюсы марок АН–8 и АН–22.

Электрошлаковой сваркой можно выполнять стыковые, тавровые, угловые и кольцевые соединения. Например, при сварке кольцевых стыков котельных барабанов применяют трехэлектродные аппараты типов А–385 и А–401. При толщине стенок кольцевого стыка 90 мм и внутреннем диаметре 1300 мм аппаратом типа А–385 шов заваривается за один проход за 2 ч.

Для сварки прямолинейных швов применяют двухэлектродный аппарат типа А–372Р, работающий на сварочных токах 400–1000 А при напряжении 48–50 В и скорости подачи электродной проволоки 150–500 м/ч.

Электрошлаковая сварка нашла применение при изготовлении и монтаже различных металлоконструкций. Для этих работ используют малогабаритные одноэлектродные сварочные аппараты типов А–681, А–820 и др. Для электрошлаковой сварки плавящимся мундштуком применяют малогабаритные однофазные аппараты типов А–645, А–1304.